摘 要： 首先闡述了數(shù)字式定時器在回旋管測試臺系統(tǒng)中的組成框圖及其重要性,。研究并利用數(shù)字處理器的外部總線接口實現(xiàn)了對可編程器件的連接控制,，并重點敘述了總線的讀寫時序關系和有關接口模塊的實現(xiàn)代碼。在系統(tǒng)設計中考慮了過脈寬和過占空比現(xiàn)象對設備的影響并給出了有效解決方案,。借助人機界面設備可以很方便地實現(xiàn)對定時器的輸出脈沖寬度和重復頻率的設置,，同時還解決了參數(shù)記憶保存的問題?；跀?shù)據(jù)總線實現(xiàn)了對嵌入式芯片的控制,，該方式對普通自制式儀表設計具有借鑒意義。

　　關鍵詞： 數(shù)字式定時器,；過脈寬/占空比保護,；總線接口；人機界面

0 引言

　　在工程設備的測試臺設計中,，比如功率回旋管測試臺,，都不能缺少用于產(chǎn)生脈沖信號的定時器儀表,。目前主流的儀表廠家都有各種型號的信號發(fā)生器可供選擇，能產(chǎn)生正炫,、方波,、三角波、噪聲等形式波形,，帶寬也從幾赫茲到幾個吉赫茲不等,。但在回旋管測試臺中需要的是頻率在10 Hz~3 kHz以下,、寬度在10~200 μs的定時信號,。定時輸出信號既要求能自激產(chǎn)生,，同時也能夠接收外部觸發(fā)同步產(chǎn)生,。輸出信號形式分導前脈沖,、開啟脈沖和切尾脈沖等三種不同形式,。在這種情況下一般儀表就不適應了,，必須重新設計滿足回旋管測試臺要求的定時電路,。在功能控制上要求智能化,，具備計算機遠程控制接口[1],。

1 定時器組成原理

　　數(shù)字式定時器上的中央處理器選用的是美國德州儀器公司生產(chǎn)的TMS320F28335芯片。數(shù)字式定時器要產(chǎn)生的波形參數(shù)既可以采用遠程人機交互界面進行設置,，也可通過印制板上的硬件按鈕來設置定時脈沖頻率和脈沖寬度,。

　　數(shù)字式定時器由內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種方式來產(chǎn)生同步脈沖。內(nèi)觸發(fā)一般用于系統(tǒng)調(diào)試和設備維修,，外觸發(fā)則用于設備系統(tǒng)工作,。調(diào)制脈沖的脈沖寬度和重復頻率都在定時器中內(nèi)部EPLD里形成，控制精度達到5 ns,。數(shù)字式定時器輸出的多路脈沖信號均經(jīng)過光電隔離處理最后通過光纖接口輸出,。在測試臺系統(tǒng)中，數(shù)字式定時器輸出的導前脈沖發(fā)給前級放大器,，開啟脈沖發(fā)給調(diào)制器開關,，切尾脈沖發(fā)給切尾開關，另備有兩路輸出留給系統(tǒng)擴展,，這三路脈沖之間的相對延遲均可以軟件調(diào)節(jié),。

　　數(shù)字式定時器還支持數(shù)據(jù)設置記憶的存儲功能，目的是方便用戶將上一次存儲的信號設置方便快捷地調(diào)出,。記憶芯片采用電可擦寫存儲芯片AT24C08,，處理芯片通過I2C總線與其完成數(shù)據(jù)交換。該芯片采用CMOS工藝,，可靠性非常高,，其存放數(shù)據(jù)可連續(xù)擦寫100萬次，保存年限能達到100年,。圖1所示為數(shù)字式定時器組成原理圖,。

2 外部總線接口設計

　　TMS320F28335芯片具有單獨的數(shù)據(jù)總線,、地址總線、讀/寫,、控制使能等專門用于擴展外部總線的接口,。使用F28335芯片的外部接口功能（XINTF功能）可以很方便地擴展具有總線接口的外部異步器件，如A/D采樣芯片,、數(shù)字存儲芯片等,。

　　XINTF接口功能使得F28335芯片可以與不同設備之間實現(xiàn)無縫連接，包括EPLD,。 在自制的定時器中把EPM1270當做外部芯片,，用總線方式連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。其相關的實現(xiàn)連接功能的邏輯控制電路在EPLD里完成,。

　　F28335的XINTF接口既可以配置成16位模式,，也可以配置成32位模式[2]。下面以常用的16位模式來說明連接方式,。如圖2所示,。

　　考慮到F28335和外部器件速度不匹配的情況，一般采用異步方式來讀寫控制,。

　　圖3所示是標準讀時序圖,，在讀信號低有效且等到同步XREADY信號穩(wěn)定2個時鐘周期后數(shù)據(jù)達到穩(wěn)定狀態(tài)時才開始讀。在讀信號由低變高時完成讀操作,。

　　與讀時序圖一樣,，在寫信號為低有效時，寫數(shù)據(jù)已經(jīng)在數(shù)據(jù)總線上,，但不立即寫入,，由圖4分析得到，要等同步信號XREADY達到穩(wěn)定狀態(tài)后在寫信號由低變高時完成寫操作,。

　　有關F28335的連接采用VHDL語言來實現(xiàn),其有關總線地址譯碼模塊的代碼如下：

　　有關內(nèi)部端口輸入輸出控制功能的模塊代碼如下：

3 過脈寬和過占空比保護

　　大功率脈沖回旋管本身對輸入的脈沖技術指標要求非常嚴格,。在實際使用中，對脈沖寬度和脈沖工作比必須加以實時監(jiān)控和保護[3],。實時監(jiān)測輸入的觸發(fā)定時脈沖，并進行過脈寬（過τ）保護和過占空比（過D）保護是自制數(shù)字式定時器電路的另一個主要功能,。該部分保護功能是在EPLD中完成的,。基本組成框圖如圖5所示,。

　　采用同一頻率源的兩個分頻信號n×clk和m×clk作為計數(shù)器時鐘,，對定時脈沖的正脈寬和負脈寬進行計數(shù)，通過對m和n的調(diào)整,，修改占空比D = n/(n+m),。脈沖計數(shù)器負責對正,、負脈沖計數(shù)，脈沖鎖存器負責鎖存脈寬計數(shù)結果（在當前脈沖結束時鎖存）,，過τ比較模塊將正脈沖計數(shù)結果與過τ門限比較,，輸出過τ控制信號。過D比較模塊通過對正,、負脈沖計數(shù)結果進行比較,，輸出過D控制信號。

　　該電路在大多數(shù)情況下,，已經(jīng)能很好地完成過D,、過τ保護功能。但在出現(xiàn)工作周期達秒量級以及多重頻時需要改進,。

　　當工作周期很大時需要兼顧最小脈寬所要求的計數(shù)精度,。例如，當前晶振頻率為20 MHz,，則計數(shù)時鐘精度為50 ns,，如果最大周期為５s，則需要計數(shù)器長度為26 bit,，這樣EPLD中所有數(shù)據(jù)總線上的鎖存器,、比較器都必須設為26 bit，從而占用大量內(nèi)部資源,。假設最大允許脈寬為τ,，而最大允許占空比為D，設在無過D故障時需要計數(shù)的負脈寬為Y ,，則D = τ/(τ + Y) ,，推出Y =τ(1 -D)/ D ，因此對負脈寬的計數(shù)只需計到Y就可以滿足過D和過τ檢測的需要,。如圖6所示,，t1~t2時間段對正脈沖計數(shù)，在下降t2沿正脈沖計數(shù)停止,；t2~t3時間段對負脈沖計數(shù),，計滿Y（到t3）后停止負脈沖計數(shù)，等待下一周期開始（t4）時鎖存2個計數(shù)結果,。此方法可以減少可編程器件內(nèi)部資源的消耗,。

　　此外，在多重頻工作的情況下,，首先要對定時信號進行分析,，根據(jù)信號各自的特征找出規(guī)律，處理方法也有相應變化。以下就對其中一種多重頻脈沖情況加以說明,，如圖7所示,。

　　這是一種非常典型的帶導前脈沖的定時信號，需要對周期T進行過D,、過τ保護,。周期T中包含T1和T2兩個小周期，其中T1為導前脈沖,，導前的負脈沖Y1寬度與Y2相比非常小,，通常在20 μs以下。利用這一規(guī)律在電路中增加一個導前判斷模塊,，在該模塊中對負脈沖進行計數(shù),，當計數(shù)值小于Y1時，數(shù)據(jù)鎖存控制端在接收到信號上升沿（T2上升沿）時不動作,，鎖存器輸出保持不變,，過D、過τ結果無變化,。只有當計數(shù)值大于Y1時,，即導前負脈沖計數(shù)已經(jīng)結束，已完成對Y2的計數(shù),，此時接收的信號上升沿為大周期的上升沿（T和T1上升沿）,，鎖存器鎖存當前周期T的正、負脈沖計數(shù)結果,，為過τ和過D檢測提供依據(jù),。

4 數(shù)據(jù)顯示設計

　　為方便測試使用人員了解參數(shù)的設置情況，脈沖頻率數(shù)據(jù)和頻率數(shù)據(jù)的顯示必不可少,。為使自制數(shù)字式定時器具有通用性,，系統(tǒng)設計了兩種顯示方案。

　?、疟镜財?shù)碼管顯示方式

　　在定時器印制板上設計了兩組四位數(shù)碼管,，分別顯示頻率信息和寬度信息，可以通過按鍵接口實現(xiàn)本地設置數(shù)據(jù)調(diào)整,。這種方式一般適用于本地控制方式,。顯示驅動芯片采用MAX7219,電路原理圖如圖8所示。

　?、七h程人機界面顯示方式

　　儀表的智能控制是目前系統(tǒng)設計的基本要求,。自制數(shù)字式定時器留有串口通信接口，通過標準ModBus協(xié)議,，可以與人機界面實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)交換。這種方式一般適用于遠程控制方式。人機界面選用的是Kinco公司的MT4214T,參數(shù)顯示采用圖形界面,，表達直觀,。

5 隔離措施

　　由于大功率設備一般工作在高微波輻射、強電磁干擾的環(huán)境中,，而數(shù)字式定時器是敏感度較高的小信號電路,，同時，內(nèi)部的信號電纜往往靠近功率設備且走線距離長,，存在信號串擾的現(xiàn)象,，因此數(shù)字式定時器的安全可靠工作至關重要，是影響回旋管測試臺性能的關鍵設備,。

　　為增強抗干擾能力,，選用全隔離設計方案。供電電源直接由直流24 V DC/DC變換得到,，觸發(fā)輸入脈沖和定時輸出脈沖全部采用多模光纖形式接口隔離,。印制板上盡可能增加電源層和地線層，芯片的每個電源引腳均放置一個去耦電容,，電路板數(shù)字走線應該避免交叉,。同時測試臺設備確保留有三種接地柱：數(shù)字地、模擬地,、安全地,。各分機使用的數(shù)字地、模擬地與安全地必須嚴格區(qū)分,，不能在內(nèi)部形成公共接地點[4],。

　　經(jīng)過這些措施保障，設備系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，在實際使用中得到驗證,。

6 結論

　　回旋管測試臺中所使用的數(shù)字式定時器屬于一種自制設備，具備一般智能儀表的特點,。定時器的電路設計自動化集成高,，控制方式靈活，擴展功能強,，同時遙控接口符合標準工業(yè)控制協(xié)議,，方便用戶與其他智能儀表設備進行統(tǒng)一對接控制?；跀?shù)據(jù)總線方式設計的數(shù)字式定時器已經(jīng)在多個品種的測試臺產(chǎn)品中獲得成功應用,，工作穩(wěn)定可靠。

　　參考文獻

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　　[2] 徐佩.高性能DSP芯片TMS320F2812應用技術研究[J]. 航空計算技術, 2007(5):86-88．

　　[3] 徐湘寧,姜勇,謝英,等. 固態(tài)發(fā)射機中雙工控制板的設計[J]. 電子工程師, 2008(6):7-11．

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